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无人化采矿不再遥远

聚星 产品设备 2020-01-12 602 0

  今年1月,国家煤监局发布了煤矿机器人机器技术体系,分为5类38种,标志着中国已经率先站在煤矿机器人的前列。今年4月1日,中国矿业大学(北京)智慧矿山与机器人研究院揭牌,目的就是要把无人化采矿、机器人化采煤的目标落实推进,付诸于生产实践。当然,宏伟目标的实现,不能仅凭高校之力,还需要企业、科研单位特别是政府的大力支持,共同发力,形成合力,集中力量办成这件大事。

  采煤机是把煤炭从地下挖出来的最前端、最核心的机器。采煤机要实现机器人化,“五调控”是核心,即调控截割速度、调控截割高度、调控截割轨迹、刮板输送机调直和液压支架调直。5个方面缺一不可,其中任何一个步骤不实现智能或者机器人化,整个采煤工作面的机器人化就无从谈起。为此,井下精准定位导航技术研发是重中之重。试验表明,采煤机可以通过惯性导航的方式实现定位和定向,采煤轨迹误差小于10厘米。下一步,需要进一步提高定位精度,减小误差至5厘米以内,甚至更小。

  煤层地下是起伏变化的,煤岩界面的机器识别至关重要。目前研发的煤岩界面自动识别截割技术,采用电流、温度、声波、振动等多参数融合,使误差控制在1厘米左右。在井下采煤,除了自动识别煤岩界面,还得让采煤机知道在什么地方拐弯,在什么地方直行,需要将导航的信息嵌入地理信息系统,给采煤机地理导航图。一旦有了类似GPS的导航图,采煤机就会像汽车导航行驶一样,知道在哪个地方拐弯,到哪个地方直行了。

  机器人化开采是多机器人协同,需要联动控制、机群协同、远程感知,构建一个物联网系统,实现无人操作和机器人化群组之间的自动化运行。有了物联网,就可以在距离采煤工作面500米左右的地下手持遥控,在采煤工作面1千米范围内的硐室内实现远程监控,甚至可以到距离采煤工作面10千米以上的地面监控中心进行远程监控,进而实现煤矿机器人化开采的无人值守、远程操控。

  目前,山西一座煤矿已经进行了机器人化开采试验。这个矿年产量1000万吨,采煤工作面只需6个人远程监控和巡检,初步实现了机器人化开采。不久的未来,巷道掘进机器人将形成机器人群作业,成为掘、支、锚、运四位一体的智能化机组。

  有了挖掘和开采,还需要有运输。从煤炭采下来运输到地面要经过两个环节,一是刮板输送机转载,二是斜井皮带提升或竖井钢丝绳提升。这两个环节是地下煤炭运输到地面的咽喉要道,缺一不可,需要无人操作运行、自动适应负载和智能安全保护。

  蜘蛛吊在树上的时候,非常容易就将自己提上去,因为它是个弹性自适应系统。根据这个原理,专家们研制出了不确定摩擦约束的超长钢丝绳提升稳控技术系统,解决了竖井提升机器人化的问题。

  井下带式输送机运距很长,最长可达五六千米。这么长的粘弹性输送带的自适应驱动非常难。机头犹如企鹅行走一样,任何时候都不能打滑;机尾犹如人在拉着橡皮筋拔河,大变形松弛的时候,要能够自适应拉紧,一旦负荷变化就立即响应调控张力,实现智能张紧。这套机械系统看似简单,实际上需要从粘弹性力学、摩擦学、控制理论等方面系统研究,才能获得技术支撑。经过努力,我国科学家研发了超长运距智能驱动及张紧系统。目前,驱动功率可达1000千瓦,运输能力可达3000万吨/年,一条输送带的连续运距可达6000米,建立了井下长运距、大运量、无人值守的煤炭连续运输系统。

  在井下,刮板输送机既是采煤机的导轨又是转运煤炭的设备,同时也是液压支架的移步支点。在这种情况下,一旦刮板输送机发生故障趴窝,采煤工作面所有工作都要停止。问题在于刮板输送机的使用寿命短,影响产量;故障多,影响采煤机和液压支架开机率;轨迹歪,导致采煤机截割偏离煤层走向。

  在科学家与企业协同努力下,目前我国已经研发永磁电动机直联驱动的刮板输送机,可以柔性启停,大大降低了刮板输送机的负载;可以重载牵引,动载平衡,多点驱动;节能效率要比传统的刮板输送机高30%以上。同时,还研制出一种自硬化耐磨金属材料。这种材料在与煤摩擦过程中,越摩擦,表层越硬,磨的次数越多,硬度增加越高。用这项技术,轧制出一种越磨越硬的钢板,用这种钢板制作刮板输送机溜槽,其寿命超过了国外产品,无维修运煤量可达1500万吨,创国内外最高水平。

  (本文系科普时报记者侯静根据葛世荣校长在MSTA大家系列科技讲座上的演讲速记整理而成,并经作者本人审核)

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